基于高精度微震监测的煤岩破裂与应力分布特征研究_夏永学

微震监测

第36卷第2期

2011年2月煤炭学报JOURNALOFCHINACOALSOCIETYVol．36Feb．No．22011文章编号：0253－9993（2011）02－0239－05

基于高精度微震监测的煤岩破裂与应力分布特征研究

夏永学1，2，31，2，31，2，34，，，潘俊锋王元杰张寅

100013；3.煤炭科学研究总院（1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013；2.煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室，北京

北京100013；4.义马煤业集团股份有限公司千秋煤矿，河南义马472300）开采设计研究分院，

“最佳D值”要：采用设计准则对微震台网最佳布设方案进行了理论研究，得出最优台站布置

点即为以震源位置为中心的正n边形的顶点；提出了微震台网布设一般性的原则和P波波速测定摘

方法。采用ARAMISM/E微震监测系统，对千秋煤矿21141工作面围岩破坏和应力分布特征进行

了研究，据此划分了冲击地压的3个高危险区域；指出21141工作面开采已经引起了巨厚砾岩的运

动，开采过程中容易诱发底板型冲击地压，应采用放炮断底的解危措施；提出21141工作面密闭墙

与终采线间距应大于50m，区段煤柱应小于5m。

；“最佳D值”关键词：微震监测；围岩破裂；应力分布；定位精度设计

中图分类号：TD324.2文献标志码：A

Studyofruleofsurroundingrockfailureandstressdistributionbased

onhigh-precisionmicroseismicmonitoring

2，32，32，3XIAYong-xue1，，PANJun-feng1，，WANGYuan-Jie1，，ZHANGYin4

（1．DepartmentofCoalMining＆Designing，TiandiScience＆TechnologyCo.，Ltd．，Beijing100013，China；2.StateKeyLaboratoryofCoalMiningandEn-

Beijing100013，China；3.CoalMiningandDesignBranch，ChinaCoalResearchInstitute，BeijingvironmentalProtection，

YimaCoalIndustryGroupCo．，Ltd．，Yima472300，China）Mine，100013，China；4.QianqiuCoal

Abstract：Adoptedthe“bestDvalue”designguidelinestoaccounttheoptimalconfigurationobservationnetwork，theresultsshowthattheoptimalarrangementofstationslocatedinnverticesofpolygon，whichistothesourcelocationasthecenter．Basedontheoreticalcalculationsandengineering，proposedthegeneralmicrostationnetworklayoutprinci-plesandPwavevelocitydetermination．BasedonARAMISM/Emicroseismicmonitoringsystem，researchedthechar-acteristicofsurroundingrockfailureandstressdistributedof21141workface，andaccordinglythatdividedthreehigh-riskareas；itshowsthatminingof21141workfacehascausedthethickconglomeratemovement，anditleadstotheoc-currenceofbottom-typeburstveryeasy，forthiswecanblastbottomtoreducerisk．Andaresultisthedistanceoftheclosedwallof21141workfaceandcoalwallshouldbemorethan50m，thepillarbetweenworkfaceislessthan5m．Keywords：microseismicmonitoring；surroundingrockfailure；stressdistributed；positioningaccuracy；the“bestDvalue”design

微震监测已成为煤矿冲击地压灾害预测预报和

机理研究的重要手段之一，在这方面，国内外学者已

［1－3］，开展了大量的研究，取得了丰硕的成果但是有

关微震监测与煤岩体破裂、应力分布特征的研究还很后的一种突然破坏，属于一种特殊的矿压显现形式，其孕育、发展和发生过程都对应煤岩体不同的受力状［4］态和损伤程度。根据微震监测结果，判断煤岩体受力破坏特征，其结果不仅可以评价岩层运动和矿山少。然而，冲击地压通常是煤岩体系统达到极限平衡灾害，而且可以用于解决工程中的实际问题［5－6］。

收稿日期：2010－07－16责任编辑：常琛“十一五”基金项目：国家重点基础研究发展计划（973）项目（2010CB226806）；国家科技支撑计划项目（2006BAK03B06－01）

微震监测

240

煤

台网布置的“最佳D值”法

炭学报2011年第36卷

1

微震事件的定位精度是影响微震监测系统应用

微震事件定位的准确程度主要效果最为重要的因素，

P波到例如微震台网的分布形状、依赖于几个因素，

［7－9］

。这时读取的准确性，以及适当的速度模型假设些因素导致的误差分为系统误差和随机误差，系统误

差的影响能够通过对走时异常的详细分析、或同一组微震事件的同时定位以及速度模型的测定来消除，而对于给定的速度模型，随机误差依赖于地震波到时读由于读取的准确性以及震源与台站之间的几何形状，

［10－13］

，取误差具有随机性，无法从根本上消除因此，定位优化问题等价于对微震台站的空间分布的分析，

以保证在震源定位过程中的随机误差值降至最小。在实际应用中，多假设煤岩体为均匀和各向同性介质，微震事件仅由P波到时的最小二乘法来定位，P波到时用公式描述为

ti=t0+T（h，m，xi）+εi

速度模型为

T（h，m，xi）=［（x0－xi）

2

T

Cθ（X）=σ21：X］［1：X］）－1（4）t（［［1：X］其中，是从矩阵X的左边增加单位矩阵所获得

T

1：X］［1：式（3）行列式的最小值等于det（［的矩阵，

X］）的最大值，可在行列正交的设计中寻找X。在该范围单位球体内，对于n=4时，中心坐标位于坐标系

原点。

这样，很容易给出4个台站的优化分布的例子，协方差矩阵Cθ（X）的对角元素是

2

｛Cθ｝11=σ2t0=σt/422｛Cθ｝22=σ2x0=3VPσt/4

｛Cθ｝33=σ

2

y0

=3Vσ/4

2P2t

（5）

22

｛Cθ｝44=σ2z0=3VPσt/4

矩阵中其余元素为0。

根据式（5）和已知的球面优化设计思路，可以获知4个台站应该分布在包含射线出发点的震源位置〈h〉处并且穿过中心点〈h〉所在的正四面体的顶点上，矩阵X的行是正四面体的顶点，坐标系的原点是其中心，如图1所示。

（1）

2

+（y0－yi）

+（2）

1/2

（z0－zi）2］/VP

T（h，m，xi）为震源h=（x0，y0，z0）T到第i个台式中，

yi，zi）T；t0为发震时刻；站的走时，台站坐标Xi=（xi，

ti是在第i个台站、带有读数误差εi的P波初动时刻，速度模型矢量m仅由一个相等的P波波速参数VP描述，i=1，2，…，n，n为微震台站数。一般地，选择这一个还是另一个台站布局，应依

最好的台网赖于所给布局有关的一些指标值。所以，

应该受到指标值的约束，这样在大多数情况下，当它。这个指标值的极值表示最佳布局，称之为“最优”x0，y0，记作Q，应依赖于所寻找的震源参数θ=（t0，z0）

的协方差矩阵，在大多数情况下，台网优化方案

“最佳D值”的选择均可采用设计准则确定

Q=det［Cθ（X，〈h〉）］=min

X∈Ωx（3）

T

图1

Fig.1

4个台站的最优布置方案

Theoptimalarrangementschemeof4stations

所获得的解可以推广到n＞4的情形，上式所描述未知震源参数的最小方差可以写为

2

｛Cθ｝11=σ2t0=σt/n22｛Cθ｝22=σ2x0=3VPσt/n22｛Cθ｝33=σ2y0=3VPσt/n22｛Cθ｝44=σ2z0=3VPσt/n

（6）

Cθ（X，〈h〉）为所找震源参数θ的协方差矩阵，式中，

X=（X1，…，Xn）是微震台站坐标，〈h〉=（〈x0〉，〈y0〉，〈z0〉）是已知最有可能的震源位置；Ωx为可能的台站定位的空间域；n为地震台数目。由此所得到，设计的准则，一般称为“区域最佳D值”由式（3）决

“D形状值”。定布局的X，叫作震源参数θ包含4个未知参数，确定它们至少需

要4个台站，假设在不同台站上时间读数误差相互独

22立，并且具有相同方差，即σti=σt。这样协方差矩阵

n是台站数目。最优台站布置点即为以震源位其中，

〈h〉置为中心的正n多边形的顶点。

2台站布置的原则

对于一个给定的矿区，当前和未来一段时期内高

微震活动的特殊区域是可以预知的，微震台站以一定的布局方式环绕这些区域，台网布置的目的就是要使震源参数的误差为最小值，这在理论上是可以实现C

θ）

微震监测

第2期夏永学等：基于高精度微震监测的煤岩破裂与应力分布特征研究

241

客观条件的限制，诸如怎样进入所选区域、数据传输、动力补给等，台网的最终设计结果往往不是理论上的

［4］

最优值。“理想的”台网布置的理论计算结果，可

并且可以在台站分布的几何形状上提供有用的知识，

采用定点爆破检验定位效果，见表2，定位精度

满足要求。

表1Table1

编号1234567891011121314

x3548.6293338.0053057.3762720.5902963.7502837.4582834.0022182.9873774.1984091.2434562.1244791.2424555.6314789.857

微震台站坐标Coordinateofstations

y4088.2484651.4294413.0974451.2803991.6193614.4454280.9544569.8113978.4113976.3683994.6373833.3214833.5455775.314

z61.59866.352－2.178－88.000－48.000－74.000－84.000－199.000151.000223.000325.000346.000341.000339.000

。在实际应用中，作为实际台网设计的“指南”可根据微震监测中震源定位的影响因素和优化布置的理

论知识，确定微震拾振器布置应遵循如下原则：（1）台基应选择在无风化、无破碎夹层、完整大面积出露的基岩上，岩性要致密坚硬，如不能满足以上条件，则需要安装地点构筑水泥平台。

（2）台站间距越小，定位精度越高，因此在满足经济支出能力的同时，尽可能的增加观测站数目，使观测站围绕震源均匀分布，保证多数站可以获得记录避免定位站数不足，影响精度和可靠性。信息，

（3）观测站布置采用空间立体形式，必须考虑到时方程组的性质，找出监测台站最优几何分布，避免“病态”出现方程，得不到正确的震源位置或使得方程组解发散。

（4）根据矿井生产实际，要使微震监测系统构成一个空间网络，拾振器的布置要确保当前开采区域和其它重点监测区域处于监测网络的中心，传感器尽可能接近待测区域，避免大断层及破碎带的影响，也要远离机械和电气的干扰等。

（5）既要照顾当前开采区域，又要考虑未来一定时期内的开采活动，尽量利用现有巷道或硐室和矿井风流通风，测站硐室要避开开采活动影响范围，以减少施工、通风及维修费用。

表2Table2

y0，z0）爆破（x0，3199，－32）（4543，

（3637，2828，－69）（3745，2822，－94）

爆破定位试验结果统计Locatingofartificialblast

y，z）定位结果（x，（4547，3192，－21）（3638，2823，－73）（3751，2820，－104）

误差（Δx，Δy，Δz）

（4，7，11）（1，5，4）（6，2，10）

4

4.1

煤岩破裂与应力分布特征

微震监测揭示高应力区域

根据一段时期的监测，可对监测区域的定位结果

3微震系统布置与波速校核

义马煤业集团千秋煤矿是国内冲击地压灾害最

为严重的矿井之一，为了监测与预报冲击地压，该矿引进了波兰ARAMISM/E微震监测系统，其主要目

目前主采的21141工作的是用于监测煤矿冲击地压，

面煤层埋深629.5～694.0m；倾角11.4°～12.8°；煤

厚16.81～25.60m，平均煤厚为21m；普氏系数为1.5～3.0；顶板为泥岩，厚度10～18m。底板为砂岩，厚度7～10m。共布置14个微震拾振器，分站坐标见表1。

拾振器布置后，还应进行P波速度的校核，以进一步提高定位精度，波速校核采用定点爆破的方式

1di+1－di

VP=∑n－1i=1ti+1－ti

n

进行综合分析，如图2所示，从定位图上可以看出，微

震事件几乎覆盖了21采区的各个区域（包括采空区、回采工作面、掘进工作面、煤柱体），微震事件高发区域有3个：Ⅰ区为21141工作面前方50～300m范围内；Ⅱ区为21141工作面距采区胶带下山600～850m范围内，Ⅲ区为21采区下山煤柱，距采区煤仓550m附近。

Ⅰ区主要受21141工作面回采影响，随着工作面的推进向前移动，大能量微震事件发生的概率很高，巷道底臌非常严重，是冲击地压危险区域和重点防治区域。

Ⅱ区微震事件高发原因目前尚未明确，但开采历21采区600～850m为应力异常带，该区域史表明，

极易出现矿压显现异常或破坏性冲击地压。典型的

m830间

（7）

di为第i（i=1，…，n）个拾振器到爆破点的距其中，

离i4m/s

微震监测

242

煤炭学报2011年第36

卷

图2

Fig.2

微震事件平面投影

Planeprojectionlofmicroseismicevents

有105m巷道顶底板合拢，巷道底臌量在2m以上，

9人死亡。截至大量支架损坏，冲击造成11人受伤，21141工作面共发生了19次破坏性冲击地压，目前，

13次主要破坏位置均位于下巷600～850m区域，其中最严重的一次发生在2010－02－13，造成下巷775～825m底臌2m以上。

Ⅲ区两侧为多个工作面的采空区，在以往的开采历史中曾受过多次采动影响，两侧采空区的应力在该处叠加，致使该区域的应力升高，面临较大的冲击危险。

很明显，微震事件的发生与高应力的存在是密不可分的，高应力区域可能产生于以往开采形成的固定支承压力，也可能产生于当前开采形成的移动支承压力，还有可能产生于特殊地质构造导致的应力异常，或者是多个因素的综合作用的结果。每一次微震事件的发生是应力集中超过极限后导致的煤岩体的突然破坏，因此微震事件的时空分布特征反映了一定区域内应力的集中程度，据此对高危险区域进行划分。4.2微震监测揭示煤岩破裂高度

根据微震事件的定位结果可以判断煤层和顶底板破坏程度和破坏范围，其结果还可用于评价岩层运动与矿山压力灾害，也可用于解决工程中的实际问题。图3（a）为微震事件在沿工作面走向方向的投影效果，从中可以看出，微震事件主要集中在煤层底板中，说明能量最容易从底板释放，从而增加了底板型冲击地压发生的可能，对于这种情况，采用爆破断底的解危措施可有效地减少灾害的发生。在垂直方向上，底板以下65m至顶板以上88m范围内，微震事件高度密集，若该范围内有含水层，突水危险是非常高的，必须采取相应的防治措施。此外顶板最大破裂高度达到了394m，这属于硬度很大的巨厚砾岩层，说明开采导致了巨厚砾岩的运动，该层位的微震事件

这显然增加了冲击地压危险。能级一般很高，4.3

微震监测揭示超前应力分布特征

（Fig.3

图3

微震监测揭示煤岩破裂高度、超前应力分布特征、侧向应力分布特征

Ruptureheightofrock，distributionofleadpressureandlateralpressurerevealedbymicroseismicmonitoring

高能量的微震事件主要分布在煤壁前方50～300m

范围，工作面前50m微震事件很少，主要是因为该区域处于应力降低区，煤岩体已破坏，裂隙发育，因此该面停采后密闭墙与工作面的间距应大于50m，如距离小于50m，必须进行注浆加固和密封，以避免采空区残煤自燃和杜绝瓦斯溢出。图3（b）还表明，高应力区位于50～300m范围，该区域冲击地压危险性较大，工人应尽量减少在该区域滞留和作业，同时要加强巷道支护，对于冲击地压最严重的下平巷，应严禁人员通行。4.4

微震监测揭示侧向支承压力分布特征

图3（c）为微震事件定位结果沿工作面倾向方向

21141下平巷微震事件的投影效果，定位结果显示，

最为集中，冲击地压危险最大，这与所发生的冲击地压基本上位于下巷附近的情况相吻合。在大孤岛煤柱体内，距巷道下帮约12m处高能事件频发，该处应

微震监测

第2期夏永学等：基于高精度微震监测的煤岩破裂与应力分布特征研究

243

下区段煤柱留设宽度不宜超过5m，以保证回采巷道处于开采卸压区域范围之内。

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5结论

（1）采用“最佳D值”设计准则可以获得微震台

网布设理论上的最优值，得出最优台站布置点即为以震源位置为中心的正n边形的顶点上，台网布置的理论计算结果，可在台站分布的几何形状上提供有用帮。本文基助，并且可以作为实际台网设计的“指南”于理论研究成果和工程实际，提出了台网布设的一般性原则。

（2）通过定点爆破校核P波速，可以进一步提高定位精度。

（3）基于高精度微震定位结果，对千秋煤矿21141工作面应力分布规律和围岩破坏特征进行了研究，据此划分了冲击地压的3个高危险区域；指出21141工作面开采已经引起了巨厚砾岩的运动，并且

应采用放炮断底很容易导致底板型冲击地压的发生，

的解危措施；提出21141工作面密闭墙与停采线间距

区段煤柱应小于5m。应大于50m，参考文献：

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